基于單片機的溫度控制器的設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 術的發展,現在已經可以完全運用單片機和電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測,并且還可以做到多點的溫度檢測,如果對此原理圖稍加改進,甚至可以進行遠程溫度監控,這將會具有更大的實用價值 [5]。 課題在國內外的發展狀況目前，國內外的各種溫度采集控制系統的技術已經很成熟，在實際應用中也非常普遍。基于應用目的的不同，有各種類型的溫控系統，如：有基于微機的溫控系統、有基于 DSP 芯片的溫控系統、有基于單片機的溫度控制系統 [6]。雖然這些系統不盡相同，但它們的基本原理和完成的功能都大致一樣。首先，由溫度傳感器負責采集溫度，經過信號放大、濾波等處理后進行轉換，把溫度數據轉換為數字信號；數字信號最后送入控制系統進行相應的處理和顯示，系統根據處理結果發出相應的控制信號。 加拿大的 CSI 集團公司根據聲學高溫測量原理研究開發出了名為 BOILERWATCH 的鍋爐膛溫度場實時監測系統，該系統可以設計成測量 8 條單一路線上的平均溫度或按陣列編排的多達 24 條路線來測量溫度的分布。 BOILERWATCH 測得的溫度數據值可以直接從輸入廠內的分散控制系統（DCS） 、數據采集系統（DAS）或輸入計算機供數據顯示和提取。可通過 DCS 來向運行人員提供溫度— 時間曲線，或在一臺裝有 CSI 公司的 TMS—WIN 軟件的計算機屏幕上顯示出來，也可以通過 TMS—WIN 軟件令計算安徽工程大學機電學院畢業設計（論文）3機畫出空間溫度分布形態或提供其它的數據顯示公式 [7]。 溫度測量技術：接觸式測溫、非接觸式測溫、輻射式測溫。溫度控制技術：智能溫度控制法、PID 線性控溫法、定值開關控制法。本論文采用的是接觸式測溫，定值開關控制溫度法。主要目的是實現溫度的自動控制，保證水溫在所設定溫度范圍內正常運作，此系統主要由溫度采集系統、顯示系統、報警系統、加熱控制單元、輸入設定等部分組成。通過以上系統能夠做到設置水溫范圍以及自動調節水溫。如果溫度在設定值范圍內，則系統正常工作；如果低于設定的下限值，系統顯示低溫警報信號并保持加熱裝置為水箱加熱；如果超出溫度范圍上限值，系統發出高溫警報并控制系統負載停止工作。 課題研究的主要內容本設計的內容是溫度測試控制，控制對象就是溫度。溫度控制在日常生活及工業領域應用相當廣泛，比如浴室、水池、電源等場所的溫度控制。而以往溫度控制大多數是由人工完成的,但是對于溫度的檢測卻不夠重視，以致于許多的意外發生都是由于對溫度的檢測的誤差所導致的。本文將采用了單片機對溫度實現自動控制。主要實現的功能有:對于被測控對象的溫度進行實時采集，采用的方法主要是通過一傳感器（ DS18B20）將溫度轉變模擬電信號,然后再將所得的模擬量轉變成數字量送入單片機（AT89C51）中，最后單片機將傳感器所采集到的溫度和預先設定好的溫度進行數值上的對比，當對于小于設定值時將發出信號,并啟動加熱裝置；當大于設定值時將關閉加熱裝置，讓其自然冷卻,從而使得被控溫度控制在一定的范圍之內,達到實時控制的功能。通過一系列的對溫度的改變是其達到可以自動控制溫度，滿足該設計的要求。田豐：基于單片機的溫度控制器的設計4第 2 章 溫度控制器的設計方案 系統整體方案和結構由于本課題主要要求的是，完成一種基于 51 單片機和 DS18B20 溫度傳感器共同控制的一種自動控制系統，具有溫度檢測、溫度范圍設置、溫度顯示、溫控控制信號輸出等功能。本文對于溫度控制系統硬件部分的研究，按功能大致可以分為以下幾個部分：單片機主控模塊、數模轉換電路、顯示電路、電源電路、聲光報警電路等。硬件總體結構框圖如圖 21 所示。由結構框圖可見，溫度控制系統是以單片機為控制的主機，主控模塊由擴展外部存儲器構成。被測對象的溫度，由 DS18B20 溫度傳感器檢測溫度。轉化的數字信號將傳輸給給單片機讓其對其數值進行處理，一方面將測得的溫度值通過控制面板上的 LCD 顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值和設定的溫度值相比較，根據其偏差值的大小,采用控制算法進行運算，最后通過單片機的輸出管腳輸出控制信號 [8]。進而對被測物體溫度進行控制。如果實際測得的溫度值超過，或低于系統給定的極限安全溫度，保護電路會做出反應，同時報警電路報警響起，從而保護被測對象。單片機快速、準確的進行溫度數據采集、然后處理、顯示溫度和控制主要是時鐘電路，提供的時鐘頻率，使單片機能正常的處理許多任務。其結構方案圖如圖 21。溫 度 控 制 器DS18B20被 測 對 象加 熱 制 冷報 警 裝 置繼 電 器單片機電 源 電 路溫 度 設 定顯 示 溫 度圖 21 結構方案圖 系統方案的選擇與說明 主機模塊方案一：安徽工程大學機電學院畢業設計（論文）5ARM 處理器為 RISC 芯片，是 32 位的微處理器。具有體積小、功耗低、高性能，功能強大等特點，支持 16 位 32 位雙指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件，共有 37個寄存器，是目前應用于嵌入式系統的主流處理器 [9]。因此，使用 ARM 處理器來作為本課題的主控制芯片是可行的，但是其成本相對較高。方案二：51 內核單片機是典型的微控制器，其廣泛應用于工業控制領域。目前應用廣泛的單片機類型有 51 單片機、AVR 單片機、PIC 單片機等。其中 STC12C5A60S2 單片機屬于增強型單片機，具有高速，寬電壓，低功耗，低成本,根據本課題的設計要求可知，使用 51 單片機實現所有功能。根據以上說明可知，方案一功能強大，但是由于成本相對較高，而方案二也可以實現課題所有要求，并且成本非常低。因此本課題決定采用方案二，單片機STC12C5A60S2 單片機作為主機主控制芯片，而從機控制芯片則選擇成本更低的AT89C51 單片機作為控制芯片。 顯示模塊方案一：1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶，能夠同時顯示 32 個字符（16 列 2 行） 。具有微功耗，體質小，顯示內容豐富，超薄輕巧，成本低等特點。可以使用其作為本課題的顯示模塊。方案二：LCD12864 是一種具有 4 位/8 位并行，2 線或 3 線串行多種接口方式，其中包含了國際一級，二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，其分辨率為 128x64。使用該液晶可以在滿足要求的同時還可以顯示圖像文字。并且具有操作簡單，低電壓低功耗，功能強大等特點。根據以上說明可知，由于本課題需要測量顯示的數據較多，并且需要根據特定要求進行人機交互設置操作，因此選擇方案二中的 LCD1602 作為主機模塊的液晶顯示模塊可以達到很好的顯示效果，且價格低廉。 溫度測量方案一：使用熱敏電阻作為感溫器件。音位熱敏電阻為半導體材料，且為負溫度系數，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化則會造成大的阻值改變，因此本試驗中它是最靈敏的溫度傳感器。熱敏電阻具有靈敏度高，工作溫度范圍寬，體質小使用方便等特點。但是由于熱敏電阻的線性度極差，不易控制，因此用來測量溫度的精度就相應的降低了。方案二：使用 DS18B20 數字測溫傳感器作為測溫元件。它只用一條線進行輸入輸出，因而與之接口的微處理器也只需要一條口線與之通信。它不需要任何外圍元件即可檢測溫度，并轉換成數字量傳給上位機（微處理器） 。這種單線傳輸方式，大大提高了系統的抗干擾性，適合在惡劣環境的現場進行溫度測量。并且由于 DS18B20 本身測溫系統簡單，測溫精度高，連續方便，占用口線少,測溫誤差小，分辨力高，抗干擾能力較強，能遠程傳輸數據，而且用戶可設定溫度上、下限，使其具有越限自動報警功能，并且田豐：基于單片機的溫度控制器的設計6自帶串行總線接口，適配各種微控制器，因此本次設計選用 DS18B20 作為測溫元件。第 3 章 溫度控制器的硬件電路設計 51 單片機的介紹與選擇51 單片機系列是將運算器、控制器、存儲器和各種輸入／輸出接口等計算機的主要部件集成在一塊芯片上，使其具備其全部功能，這樣就能得到一個單芯片的微型計算機。它雖然只是一個單個芯片，但它的組成和功能上已經具有了計算機系統的特點，因此稱之為單片微型計算機(SingleChipMicroputer)，簡稱單片機。又因為其體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高，特別適合應用于工業過程控制、智能儀器儀表和測控系統的前端裝置。因此本次畢業設計所采用的是 AT89C51。以下簡述本次畢業設計所用到的與其相關的知識 [10]。 主要特性： （1）與 MCS51 兼容， （2） 4K 字節可編程閃爍存儲器，壽命為 1000 次寫/擦循環，數據可保留時間為10 年 ， （3）全靜態工作：0Hz24Hz ，（4）三級程序存儲器鎖定 ，（5）128X8 位內部 RAM ，（6）4 個 I/O 端口，共 32 根可編程口線 ，（7）兩個 16 位定時器/計數器， （8）5 個中斷源， （9）可編程串行通道 ，（10）低功耗的閑置和掉電模式，（11）片內振蕩器和時鐘電路 ，管腳說明： AT89C51 的管腳布置如圖 32 所示VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的低八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1：P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為低八位地址接收。 P2：P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行安徽工程大學機電學院畢業設計（論文）7讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3：P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示:P3 口管腳備選功能 RXD（串行輸入口） ； TXD（串行輸出口） ； /INT0（外部中斷 0） ； /INT1（外部中斷 1） ； T0（記時器 0 外部輸入） ； T1（記時器 1 外部輸入） ； /WR（外部數據存儲器寫選通） ； /RD（外部數據存儲器讀選通） ； P3 同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入端，當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低 8 位字節。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時，ALE 只有在執行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。微處理器在外部執行狀態 ALE 禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指令期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現。 EA/VPP：當 EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH） ，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時，EA 將內部鎖定為 RESET；當 EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。見插圖 31 AT89C51 管腳,由此單片機構成的最小單片機原理圖如圖31，表 31 為 P3 引腳功能表。表 31 P3 引腳功能表端口引腳 第二功能 RXD (串行輸入口) TXD (串行輸出口) INT0 (外部中斷 0) INT1 (外部中斷 1) T0（定時器 0） T1（定時器 1） ER（外部數據存儲器寫選通） RD（外部數據存儲器讀選通）田豐：基于單片機的溫度控制器的設計8SV VCCP11P10P12P13P14P15P16P17P30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P36/WRP37/RDXTAL2RSTGNDXTAL1VCCP00P01P02P03P0